Tweaking designen av mikroringssensorer ökar deras känslighet utan att lägga till mer implementeringskomplexitet.

Optisk avkänning är en av de viktigaste tillämpningarna inom ljusvetenskap. Det spelar avgörande roller inom astronomi, miljövetenskap, industrin och medicinska diagnoser.

Trots de olika system som används för optisk avkänning, de delar alla samma princip:Den mängd som ska mätas måste lämna ett "fingeravtryck" på systemets optiska svar. Fingeravtrycket kan vara dess överföring, reflektion eller absorption. Ju starkare dessa effekter är, desto starkare blir systemets respons.

Även om detta fungerar bra på makroskopisk nivå, mäter liten, mikroskopiska mängder som framkallar svag respons är en utmanande uppgift. Forskare har utvecklat tekniker för att övervinna denna svårighet och förbättra känsligheten hos sina enheter. Några av dessa tekniker, som förlitar sig på komplexa kvantoptiska koncept och implementeringar, har verkligen visat sig vara användbar, till exempel vid avkänning av gravitationella vågor i LIGO -projektet. Andra, som är baserade på att fånga ljus i små lådor som kallas optiska resonatorer, har lyckats upptäcka mikropartiklar och relativt stora biologiska komponenter.

Ändå, förmågan att upptäcka små nanopartiklar och så småningom enstaka molekyler är fortfarande en utmaning. Nuvarande försök fokuserar på en speciell typ av ljusinställningsanordningar som kallas mikroröring eller mikrotoroidresonatorer - dessa förbättrar interaktionen mellan ljus och molekylen som ska detekteras. Känsligheten hos dessa enheter, dock, begränsas av deras grundläggande fysik.

I deras artikel "Sensing with Exceptional Surfaces in order to Combine Sensitivity with Robustness" publicerad i Fysiska granskningsbrev , fysiker och ingenjörer från Michigan Technological University, Pennsylvania State University och University of Central Florida föreslår en ny typ av sensorer. De är baserade på det nya begreppet exceptionella ytor:ytor som består av exceptionella punkter.

Exceptionella poäng för exceptionellt känslig detektion

För att förstå innebörden av exceptionella punkter, betrakta en imaginär fiol med bara två strängar. I allmänhet, en sådan fiol kan producera bara två olika toner - en situation som motsvarar en konventionell optisk resonator. Om en strängs vibration kan förändra den andra strängens vibration på ett sätt så att ljudet och de elastiska svängningarna bara skapar en ton och en kollektiv strängrörelse, systemet har en exceptionell poäng.

Ett fysiskt system som uppvisar en exceptionell punkt är mycket ömtåligt. Med andra ord, varje liten störning kommer att förändra dess beteende dramatiskt. Funktionen gör systemet mycket känsligt för små signaler.

"Trots detta löfte, samma ökade känslighet hos exceptionella punktbaserade sensorer är också deras akilleshäl:Dessa enheter är mycket känsliga för oundvikliga tillverkningsfel och oönskade miljövariationer, "sa Ramy El-Ganainy, docent i fysik, tillade att känsligheten krävde smarta tuningtrick i tidigare experimentella demonstrationer.

"Vårt nuvarande förslag lindrar de flesta av dessa problem genom att införa ett nytt system som har samma ökade känslighet som rapporterats i tidigare arbete, samtidigt som den är robust mot majoriteten av den otänkbara experimentella osäkerheten, "sa Qi Zhong, huvudförfattare på tidningen och en doktorand som för närvarande arbetar mot sin doktorsexamen vid Michigan Tech.

Även om designen av mikroringssensorer fortsätter att förfinas, forskare hoppas att genom att förbättra enheterna, till synes små optiska observationer kommer att ha stora effekter.